Alla scoperta del microbiota intestinale: il super-organismo

compagno della vita

Fabio Pace UOC di Gastroenterologia ed Endoscopia

Digestiva,

ASST Bergamo Est, Seriate (BG)

2016;375:2369-79.

La “Rivoluzione” del Microbiota Umano

La tradizionale visione antropocentrica del microbiota intestinale come

essenzialmente patogeno e minaccia per il sistema immune è stata

sostituita dal riconoscimento che esso ha prevalentemente un effetto

benefico per la salute umana.

N° di pubblicazioni/anno su Microbiota

intestinale, 19802017

Fonte: GoPubMed, accesso 14/9/17

Metodi di identificazione coltura-

dipendente vs coltura- indipendente

Zoetendall et al, Gut 2008;57:1605

Oggi la ricerca procede da: chi c’è ? verso:

che cosa fa ? I vari approcci …-omici

Zoetendall et al, Gut 2008;57:1605

I diversi microbiota umani

Cho & Blaser, Nat Rev Gen 2012;13:260

Definizione di microbiota umano

Il microbiota umano è costituito dalla comunità

dei microrganismi (e relativi genomi) che

colonizzano varie regioni anatomiche

dell’organismo, interne o superficiali.

The Human Microbiome Project Consortium. Nature 2012;486:215

Outline della lettura

1. Mutualismo uomo-microbiota

2. Funzioni del microbiota intestinale

3. Colonizzazione intestinale e influenze

ambientali

4. Disbiosi e malattie croniche

Microbiota ed evoluzione di Homo

sapiens

• I microbi commensali hanno accompagnato l’evoluzione delle specie terrestri a partire da 400 milioni di anni fa.

• Senza questa stretta simbiosi e alleanza probabilmente la specie umana non sarebbe mai esistita.

• In nessun area della biologia umana i concetti stanno cambiando più rapidamente.

Mutualismo tra esseri umani e microbiota

intestinale

Backhed et al, Science 2005;307:1915

“Il microbiota intestinale (MI) rappresenta un bioreattore anaerobico

programmato con un enorme popolazione di batteri, dominata da

relativamente poche divisioni (phyla) ma molto diverse a livello di

specie/ceppo. Questo microbiota e il suo genoma (microbioma) ci

forniscono capacità metaboliche e genetiche che nel corso

dell’evoluzione si sono disattivate, tra le quali la capacità di estrarre

calorie da alimenti non direttamente digeribili per Homo sapiens. Studi

recenti ci hanno rivelato che il MI si è evoluto in parallelo a noi e come

esso sia in grado di modificare e complementare la nostra biologia in

modo reciprocamente favorevole.”

Cellule eucariotiche

1013

Cellule procariotiche

1014

Cellule umane (eucariotiche) + Microbiota (procariotiche) = Superorganismo

Microbiota

Organi del nostro corpo a confronto

Fegato

Cervello Cuore

360 g 1360 g 1600 g

1800 g

25.000 Geni

2500 Enzimi

1400

Sostanze

chimiche

Piramide della vita: il corpo umano

Kau et al, Nature 2011 Qin et al, Nature 2011

>3.000.000 Geni

>58.000 Enzimi

>25.000

Sostanze

chimiche

(Meta)Metabolomica

Metaproteomica

Metagenomica

Kau et al, Nature 2011 Qin et al, Nature 2011

Piramide della vita: il microbiota umano

Microbiota umano: solo batteri ?

• Virus

• Batteriofagi

• Batteri • Archea

• Protozoii

• Elminti

• Lieviti

Tassonomia: E. coli vs Homo sapiens

Strain E. coli Nissle 1917 Caucasian

Tyler et al Am J Gastroenterol 2014; 109:983

Tassonomia: E. coli vs Homo sapiens

Tyler et al Am J Gastroenterol 2014; 109:983

Strain E. coli Nissle 1917 Caucasian

<103 CFU/ml

102-109 CFU/ml

104-1012 CFU/ml

Distribuzione qualitativa e quantitativa del

microbiota intestinale umano

Chassard C, Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2013

Phyla principali

Il microbiota intestinale adulto umano

60% ~ 25%

~

10%

~ 1,5%

The Firmicutes is the largest

bacterial phylum. It contains

more than 250 genera,

including Lactobacillus,

Mycoplasma, Bacillus and

Clostridium.

The Bacteroidetes include

about 20 genera. In the

human gut, Bacteroides is

probably the most abundant

single genus. Species of

Bacteroides are obligate

anaerobes that are benign

inhabitants of the gut.

Il microbiota intestinale umano

Il MI è un sistema dinamico che fornisce

una veloce risposta adattativa ambientale

Candela et al, Trends Microbiol 2012;20:385-91

Sviluppo del Microbiota Intestinale nei

primi due anni di vita

Verdù et al, Nat Rev Gastro Hep 2015;12:497–506

Alla nascita il corpo umano è sterile ()

Ambiente Dieta

Microbiota vaginale (madre)

Microbiota cutaneo (madre/padre/parenti/baby

sitter)

Microbiota fecale (madre)

CORE microbiota

(8-36 mesi)

LA COLONIZAZIONE DELL’INTESTINO DEL NEONATO DIPENDE

DALLA MODALITA’ DEL PARTO

Ridotta diversità e ritardata colonizzazione

da parte dei Bifidobatteri

Le prime specie batteriche del neonato sono anaerobi

facoltativi, come Staphilococcus, Streptococcus,

Enterococcus e Enterobacter.

Queste specie creano un ambiente anaerobico che

promuove la crescita di anaerobi obbligati, come

Bifidobatteri, Bacteroides, Clostridium e Eubacterium

Conseguenze sul microbiota del tipo di parto

Richardson, 2013

Ottman, Front Cell Immun Microbiol 2012

Cambiamenti temporali nella

composizione del microbiota

Diversità

specie

Funzione

barriera

• Sviluppo

normale

immunità e

tolleranza

Microbiota

Bilanciato

Antibiotici

↓ Diversità

specie

↓ Funzione

barriera

•Attività

immune

alterata ?

Preidis et al, Gastroenterology 2009;136:2015

Un fattore perturbante: gli antibiotici

Le prime 8 prescrizioni di farmaci in

pediatria (USA, 2010)

Funzioni principali del microbiota

intestinale

Microbiota Intestinale

Funzione di protezione Funzione metabolica

Funzione immune

– Produzione di specifiche sostanze

proteiche, ad es. batteriocine

– Meccanismi di competizione per

i siti di adesione epiteliali e

per i nutrienti disponibili

Guarner F. Lancet 2003;61:512

microbi

epitelio

Il microbiota costituisce la prima linea di difesa dai

patogeni

Il microbiota intestinale favorisce la funzione di

barriera intestinale

Funzione immune: interazione con il sistema

immune

• Rinforzo della immunità innata e modulazione

dell’infiammazione attraverso regolazione attività linfociti e

macrofagi, cellule M e cellule dendritiche, e produzione IgA

(DuPont, A. W. & DuPont, H. L. (2011) The intestinal microbiota and chronic disorders of the gut

Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. doi:10.1038/nrgastro.2011.133)

33

Potenzialità metabolica del microbiota

intestinale

• Fermentazione saccarolitica e proteolitica

• Conversione dei componenti della dieta

• Conversione dei xenobiotici

– Deconiugazione dei metaboliti prodotti

dal fegato e dagli enterociti e/o

– Riduzione, idrolisi, degradazione, anche ossidativa

• Detossificazione

La biochimica dell’intestino:

i principali pathway metabolici nel colon

glicani

La biochimica dell’intestino:

i principali pathway metabolici nel colon

Varietà di geni del microbiota che codificano

enzimi attivi sui carboidrati complessi

Kaoutari et al, Nat Rev Microbiol 2013;11:497

2010;107:1469

1

Differente composizione del microbiota

intestinale in bambini con diete diverse

De Filippo et al, PNAS 2010;107:14691

kcal Prot. (g) Grassi (g) Totale Carb. Fibre

solubili

BF 996 40 31 149 14

EU 1512 67 74 290 8

Effetti della dieta in soggetti obesi sul

rapporto Firmicutes/Bacteroidetes

Ley RE et al, Nature 2006;444:1022

La dieta occidentale ha la capacità di promuovere la deposizione di

grasso per una accentuazione dell’ influenza genomica dei firmicutes

in grado di metabolizzare al meglio polisaccaridi producendo acidi

grassi a corta catena (SCFA) che vengono depositati in tessuto

adiposo e fegato.

Lavori pubblicati su Diet-Induced

Obesity (DIO) e Microbiota dal 2008

Turnbaugh. Cell Host Micr 2017;21:278-81

Correlazione tra alimentazione, biodiversità del

microbiota, infiammazione e benessere

Shanahan et al, Gut 2017;66:1709-17

Alterazioni del Microbiota umano (= disbiosi)

e malattie

Belizário et al. Front Microbiol 2015; 6:1050

Malattie digestive associate a disbiosi

• Infezioni gastrointestinali

• IBS (Irritable Bowel Syndrome)

• SIBO (Small Intestinal Bacterial Overgrowth)

• Malattia diverticolare sintomatica del colon

• IBD (Inflammatory Bowel Diseases)

• Cancro gastrointestinale

• Intolleranze/allergie alimentari

• Steatosi epatica e patologie pancreatiche

• …

Cause di disbiosi intestinale e sue

conseguenze

Round et al, Nat Rev Immun 2009;9:313

Grazie per l’attenzione !